автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.02, диссертация на тему:Исследование электролитического формования сложнопрофилированных износостойких авиационных деталей в сульфаматном электролите никелирования

На правах рукописи

ПАРФЕНОВА ЛЮДМИЛА ИВАНОВНА

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОГО ФОРМОВАНИЯ СЛОЖНОПРОФИЛИРОВАННЫХ ИЗНОСОСТОЙКИХ

АВИАЦИОННЫХ ДЕТАЛЕЙ В СУЛЬФАМАТНОМ ЭЛЕКТРОЛИТЕ НИКЕЛИРОВАНИЯ

Специальность: 05.07.02 - Проектирование, конструкция и производство летательных аппаратов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005007601

Казань 2011

,12 ЯН В 2012

005007601

Диссертация выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н: Туполева - КАИ» на кафедре «Информационные технологии и менеджмент в-машиностроении»

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Закиров Ильдус Мухаметгалеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Садыков Зуфар Барыевич

кандидат технических наук Мовчан Григорий Викторович

Ведущая организация: ЗАО «Казанский Гипронииавиапром»

Защита состоится 23 января 2012 г. в 10-00 часов на заседании-диссертационного совета Д 212.079.05 при ФГБОУ ВПО «Казанский • национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева ■ - КАИ» по адресу 420111, г. Казань, ул. К. Маркса, д. 10 (E-mail: kai@kstu-kai.ru)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского национального исследовательского технического университета им. А.Н, Туполева

Автореферат разослан QkQSPJ! 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Снигирев В.Ф.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Авиационная техника как один из наукоемких видов продукции характеризуется высоким инновационным уровнем. Одним из показателей внедрения новых, инновационных технологий является использование в изделиях авиационной промышленности современных материалов.

Металлы и их сплавы - одни из основных конструкционных материалов, используемых в авиационной промышленности. Разработка и совершенствование технологических процессов, обеспечивающих сокращение расхода металлов и позволяющих повысить качество выпускаемых изделий, является весьма актуальной задачей. Одним из таких процессов является электролитическое формование, заключающееся в получении деталей путем электроосаждения металла на форму в гальванической ванне с последующим отделением металла от формы.

Анализ целого ряда изделий машиностроения показывает, что существует целый ряд деталей, которые экономически более выгодно получать электролитическим формованием. Возможно изготовление указанным методом накладок (оковок) переменного сечения для защиты лопастей летательных аппаратов, газогенераторов, трубчатых тонкостенных деталей переменного сечения, элементов технологической оснастки, например, формообразующих вставок пресс-форм и тд.

В настоящее время в гальванопластике, основе электролитического формования, используют довольно ограниченное число металлов и сплавов. Наиболее широко применяют медь, никель и железо, а из сплавов - никель - кобальт и никель - железо. Электроосаждение сплавов является весьма перспективным процессом, так как позволяет расширить диапазон материалов, пригодных для гальванопластических целей. Уже сейчас получают широкое использование композиционные материалы, совмещающие положительные свойства металлов и неметаллов, а также оксидов, карбидов, нитридов и др.

В современной гальванотехнике одним из актуальных направлений является создание композиционных электрохимических покрытий (КЭП), которые получают путем соосаждения вместе с металлами из электролитов-суспензий дисперсных частиц различных видов и размеров. Включаясь в структуру металлов, частицы существенно улучшают их эксплуатационные свойства (твердость, износостойкость, коррозионную устойчивость) и придают им новые качества (антифрикционные, магнитные, каталитические). В связи с этим, КЭП находят широкое применение в различных отраслях промышленности, а разработка новых видов композиционных покрытий с различными свойствами и получение новых композиционных материалов, исследование кинетических закономерностей их электроосаждения и свойств осадков, а также изучение структурных превращений в концентрированных растворах электролитов является актуальной научной задачей.

Исследование посвящено совершенствованию процесса электролитического формования с целью получения ответственных авиационных изделий повышенной износостойкости из никеля.

Целью работы является создания нового композиционного материала на основе никеля, обладающего улучшенными эксплуатационными свойствами, и исследование кинетики его электроосаждения, позволившие в дальнейшем усовершенствовать процесс электролитического формования износостойких слож-нопрофилированных изделий летательных аппаратов. Для достижения поставленной цели предполагается решить следующие задачи:

— провести исследование и сравнительный анализ возможных наномоди-фикаторов для процесса электролитического формования сложнопрофилиро-ванных никелевых деталей с целью повышения их физико-механических характеристик;

— исследовать седиментационную устойчивость различных наномоди-фикаторов в сульфаматном электролите никелирования;

— разработать методику приготовления суспензий сульфаматного электролита с наномодификатором;

— изучить механизм формирования электролитических слоев, модифицированных наноструктурами;

— определить основной состав экспериментального оснащения для электролитического формования наноструктурированных образцов изделий и разработать его;

— разработать методику эксперимента по наноструктурированию никелевых образцов, изготавливаемых электролитическим формованием;

— получить композиционный материал на основе никеля путем электролитического осаждения на стальные образцы;

— исследовать кинетические закономерности, протекающие при получении наномодифицированных никелевых образцов;

— исследовать физико-механические свойства полученных наномодифицированных никелевых образцов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

— исследована седиментационная устойчивость частиц фуллерена С60, частиц оксида алюминия и оксида титана в сульфаматном электролите никелирования;

— разработана методика получения дисперсий фуллерена С60 в сульфаматном электролите;

— разработана методика наноструктурирования электролитических осадков никеля фуллереном С60;

— получен композиционный материал на основе никеля с дисперсной фазой фуллерена С60 путем электролитического осаждения.

Практическая ценность. Получены образцы композиционного материала никель-фуллерен С60 с улучшенными физико-механическими свойствами. Установлено, что возможно включение частиц фуллерена С60 в состав ' электролитического никеля. Получены данные по физико-механическим

свойствам наноструктурированных осадков электролитического никеля, которые показали, что включение в осадок никеля второй фазы приводит к улучшению структуры электролитического осадка никеля, повышению твердости на 13-17 % и повышению износостойкости в 1,5 раза в сравнении осадками электролитического никеля без включения фуллерена С60.

На защиту выносятся:.

1. Методика наноструктурирования электролитических осадков никеля фуллереном С60.

2. Методика получения дисперсий фуллерена С60 в сульфаматном электролите.

3. Физико-механические свойства композиционного материала никель-фуллерен С60.

Личный вклад соискателя. Автору диссертации принадлежат основные идеи, касающиеся постановки задач исследований, выполнение всех этапов эксперимента, обработки полученных результатов экспериментов. Автор работы является ответственным исполнителем НИОКР по теме «Теоретическое обоснование и разработка методики исследования наноструктурирования внешнего слоя никелевых изделий, получаемых электролитическим формованием» 2009г., «Исследование влияния наномодификаторов на физико-механические характеристики никелевых образцов, полученных электролитическим формованием» 2011г.

Апробация работы. Основные положения, выводы и результаты диссертационной работы:

— докладывались и обсуждались на Итоговой Всероссийской научно-практической конференции «ПОЛЗУНОВСКИЕ ГРАНТЫ», ГОУ ВПО АлтГТУ (Барнаул 2007г.), IV Международной научно-практической конференции «Авиакосмические технологии и оборудование. Казань - 2008», Ш Международной научно-практической конференции «Инновационные технологии в проектировании и производстве изделий машиностроения» (Казань, 2008г.), XI Международной научно-практической конференции «Нанотехнологии в промышленности» (Казань, 2011г.), ежегодной научной сессии ГОУ ВПО «Казанский государственный технологический университет» (Казань, 2011г.);

- публиковались в материалах Всеукраинской научно-технической конференции «Молодежный электрохимический форум» (Харьков, 2008г.).

В полном объеме работа докладывалась на расширенном заседании кафедры «Информационные технологии и менеджмент в машиностроении» ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н.Туполева - КАИ» 11 октября 2011г.

Публикации. Всего по теме диссертации опубликовано 8 работ, из них 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК.

Объем и структура диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и приложения. Полный объем работы составляет 109 страниц, в том числе 92 страницы основного текста, 52 рисунка, 6 таблиц, список литературы (98 наим., 9 страниц).

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, указано направление исследований, раскрыто научное и практическое значение решаемой проблемы.

В первой главе приведены литературные данные по областям применения изделий, изготавливаемых электролитическим формованием, рассмотрены перспективы применения различных композиционных электрохимических покрытий. Рассмотрены механизм и кинетика образования композиционных электрохимических покрытий. Приведены требования, предъявляемые к электролитам осаждения композиционных материалов, проанализированы факторы, влияющие на качество электролитических осадков. По работам таких авторов как: Сайфуллин P.C., Галяметдинов Ю.Г., Голодницкая Д.В., Овчинников Е.В., Пи-липенко А.Г., Целуйкин В.Н., Витязь П.А., Пономарев А.Н., Kerber А., Гилев В.Г. и др. проанализированы возможные наномодификаторы, применимые в качестве второй фазы в различных композиционных осадках.

На основе анализа работ отечественных и зарубежных авторов показано, что диапазон эксплуатационных свойств электроосажденных материалов можно расширить путем применения перспективных наномодификаторов. Это позволит расширить число применяемых металлов и сплавов в процессе электролитического формования, что в свою очередь расширит номенклатуру авиационных изделий, которые гораздо выгоднее изготавливать электролитическим формованием и продлить срок службы ответственных авиационных изделий сложного профиля.

Во второй главе разработана методика проведения эксперимента по на-ноструктурированию никелевых осадков. Описан технологический процесс согласно предложенной методике наноструктурирования никелевых осадков.

Электроосаждение никеля и никеля с добавлением наноструктур проводили в сульфаматном электролите на сталь 3 при температуре 55-60 °С с непрерывным перемешиванием электролита. Толщина покрытий составляла 1-1,2 мкм.

Третья глава посвящена исследованию седиментационной устойчивости наномодификаторов в сульфаматном электролите. Исследованы факторы, влияющих на седиментационную устойчивость частиц фуллерена С60 в сульфаматном электролите никелирования, а также определены их оптимальные концентрации.

Разработка технологии наноструктурирования изделий из никеля, изготавливаемых электролитическим формованием, предусматривает получение суспензий. Суспензии представляют собой электролиты с добавкой определенного количества высокодисперсного порошка.

В работе исследовались суспензии следующих составов: сульфаматный электролит + частицы А1203, сульфаматный электролит + частицы ТЮ2, сульфаматный электролит + фуллереновая смесь, сульфаматный электролит + фуллерен С60, также для сравнения исследовались суспензии этих же частиц в дистиллированной воде. Седиментационную устойчивость наномодификаторов исследовали в сульфаматном электролите, который используется для серийного

производства электролитическим формованием никелевых противоабразивных защитных оковок, предназначенных для защиты и повышения ресурса передних кромок лопастей воздушных винтов в современных летательных аппаратах. Седиментационную устойчивость характеризовали мерой непрозрачности слоя вещества для световых лучей - оптической плотностью (D).

Высокая степень диспергирования достигалась путем предварительной ультразвуковой обработки суспензии в ультразвуковой ванне yaxun ultrasonic cleaner 9030 в течение 10 минут. Для исследования суспензий применяли метод светорассеяния. Измерения проводили на спектрофотометре UNICO1200 с использованием кварцевых кювет. Данный прибор позволяет изучать параметры распределения частиц в невозмущенных внешними воздействиями структурах за счет рассеяния света коллоидными системами. Коллоидные системы представляют пример дисперсных систем, которые классифицируются по величине частиц раздробленного вещества или по степени дисперсности в дисперсионной среде.

Максимальные значения оптической плотности показали суспензии с фул-лереном С60. Благодаря обилию кратных связей молекулы фуллеренов способны легко и обратимо принимать электроны без разрушения структуры, поэтому большой интерес вызывают их электрохимические свойства. Фуллерен С60 является акцептором электронов и в растворе электролита при пропускании электрического тока способен адсорбировать на поверхности катионы никеля, так что в конечном итоге укрупненные дисперсные частицы, двигаясь к катоду, встраиваются в кристаллическую решетку электролитического осадка.

При использовании ультразвука хорошие результаты получены при концентрации частиц 0,025-0,02г на 100 мл электролита (рис. 1).

D

1,9 1,85 1,8 1,75 1,7 1,65

Рис. 1. Зависимость оптической плотности (D) от концентрации (С) частиц С60 в сульфаматном электролите

Отличительная черта коллоидных систем - это их неустойчивость. Причиной неустойчивости может быть непостоянство их дисперсности. Переход

У \

/ / \

/ \ »

0.005 0,01 0,015 0,02 0,025 С, г

коллоидов в истинный раствор вызывается увеличением дисперсности, в то время как противоположный процесс идет за счет слипания частиц, ведущего к увеличению их размеров. Последнее явление называется коагуляцией. Частицы сначала становятся видимыми в микроскоп, а затем по мере роста они делаются настолько крупными, что выпадают в осадок. Внешне коагуляция часто сопровождается появлением мути, изменением окраски коллоидных систем и, наконец, образованием осадка. Явление выпадения дисперсной фазы в осадок под действием силы тяжести - седиментация наблюдалось при выдерживании суспензии электролита с наномодификатором в течение суток (рис. 2). Значения оптической плотности приведены при длине волны (А.) равной 400нм, так как при этом значении наблюдался максимум оптической плотности всех суспензий.

D ----

1,7-----

1,6--—_____———I-

1,5 -I------—

0,001 0,002 0,003 0,004 С, г

Рис. 2. Седиментационная устойчивость частиц С60 в сульфаматном электролите в зависимости от концентрации (С) ПАВ (0,001-0,005г) при длине волны X = 400нм.: с выдержкой в 1 сутки (1), без выдержки (2)

В работе были проведены сравнения рассеивания различной концентрации частиц фуллерена С60 в дистиллированной воде и в электролите (рис. 3).

D

2

1,5 1

0,5 0

0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 С, г

_____ L

_ — — 1

2

-- Д

Рис. 3. Седиментационная устойчивость частиц С60 в воде (1) и в электролите (2) в зависимости от концентрации при длине волны X = 400

Как видно из графиков, седиментационная устойчивость частиц фуллерена С60 в воде ниже, чем в электролите. Это связано с тем, что после диспергирования избыток и нескомпенсированность поверхностных связей приводит к срастанию и укрупнению нанофрагментов фуллерена. Чтобы предотвратить этот нежелательный эффект, в систему вводили стабилизатор - поверхностно -активное вещество (ПАВ) (рис.4). Молекулы ПАВ облепляют растущую нано-частицу со всех сторон, что препятствует ее дальнейшему укрупнению. В качестве ПАВ использовали лаурилсульфат натрия, так как в сульфаматном электролите никелирования лаурилсульфат натрия уже присутствует как специальная выравнивающая органическая добавка.

1,79 1,78 1,77 1,76 1,75 1,74

Рис. 4. Зависимость оптической плотности (D) от концентрации (С) ПАВ в сульфаматном электролите (С60 = 0,025г, длина волны X = 400 нм)

Таким образом, можно констатировать, что наложение поля ультразвука приводит к неоднозначным эффектам при формировании как водных суспензий фуллеренов, так и суспензий фуллеренов на основе электролита. Продемонстрирована периодичность изменения полидисперсности частиц фуллеренов в водной среде и в электролите в зависимости от различной концентрации ПАВ и самих частиц фуллеренов и найдена оптимальная концентрация ПАВ и частиц фуллеренов, отражающая высокую дисперсность частиц.

Установлено, что максимальные значения оптической плотности достижимы при следующих значениях:

- концентрация С60 = 0,025...0,02 г на 100мл электролита;

- концентрация ПАВ = 0,003г на 100мл электролита.

Таким образом, полученные результаты научно-технической деятельности являются основой для выполнения работ по изучению влияния наномоди-фикаторов на свойства изделий, выполняемых электролитическим формованием из никеля в сульфаматном электролите.

В четвертой главе определен состав лабораторного технологического оснащения для проведения эксперимента. Описана экспериментальная установка. Смоделирована опытная технологическая оснастка для электролитического

у к

/ у \ \

/ / \ L

\

\

\

0,001 0,002 0,003 0,004 С, г

формования противоабразивной защитной оковки на примере оковки ЛЕВ 1 для лопасти воздушного винта самолета АН - 140 в программе Solid Works.

В пятой главе приведены результаты экспериментальных исследований. Проведены исследования на фазовый состав наноструктурированных никелевых образцов, определена их твердость и износостойкость.

В результате работы было получено 9 образцов с покрытием из никеля и КЭП никель + фуллерен С60. Время осаждения 40 мин., температура электролита 55-60 °С, рН электролита 3,5-3,8 единиц, сила тока 1 А, состав электролита: никель сульфаминовокислый 350-400 г/л, никель хлористый 4-6 г/л, кислота борная 25-30 г/л, лаурилсульфат натрия 0,1-0,5 г/л. Анодом служит никелевая пластина размерами 40*43*5мм. Марка анода - НПАН (непассивирующиеся аноды никелевые). Толщина осадков 1-1,2 мкм.

На рисунке 5 представлена микрофотография покрытия в разрезе. Микрофотографии покрытий были получены на инвертированном микроскопе отраженного света Axiovert 200МА. Т/200 М MAT при увеличении изображения в 500 раз.

Рис. 5. Образец с никелевым покрытием в разрезе (увеличение в 500 раз )

Исследования структуры и состава, полученных образцов, проводили с использованием сканирующего электронного микроскопа EVO 50 XVP. На рисунке 6 представлены микрофотографии поверхности образцов.

Рис. 6. Микрофотографии поверхности образцов а - никель, б - никель + фуллерен С60, в - никель + фуллерен С60 + ПАВ при увеличении в 50 000 раз

Исследования показали возможность включения фуллерена С60 в структуру электролитического никеля, полученного в сульфаматном электролите. Осадок, полученный в результате добавления в электролит никелирования фуллерена С60 (б), более равномерный и темный, чем осадок чистого никеля (а) и осадок никеля с добавлением фуллерена С60 в присутствии ПАВ (в). Более темный цвет обусловлен наличием в составе большего количества углерода (таблица 1).

Твердость определяли с помощью прибора Remet НХ-1000 Bologna - Italy. Исследования на твердость показали, что при толщине покрытия равной 1-1,2 мкм твердость гальванического никеля по Виккерсу составляет 257 HV, твердость осадков «никель + фуллерен С60+ ПАВ» составляет 290 HV, что на 13% выше твердости никелевого покрытия и на 74% выше твердости стальной подложки марки СтЗ, а среднее значение твердости осадков «никель + фуллерен С60» равно 299 HV, что выше твердости никелевого покрытия на 17% и стальной подложки марки СтЗ на 79% (таблица 1).

Таблица 1

Средние значения твердости и количества углерода _в различных покрытиях

Наименование покрытия Среднее значение твердости, HV Среднее значение содержания углерода, атомный % Среднее значение содержания углерода, весовой %

Ni 257 0 0

Ni+C60 299 24 7

Ni+СбО+ПАВ 290 14 3

Испытания на абразивный износ проводились с использованием пескоструйной установки. Абразивный материал - сухой кварцевый песок с размерами абразивных частиц до 0,08мм. Время, затраченное на каждый образец - 4 сек. Образцы устанавливались под углом 45° к направлению вектора вылетающих из ротора частиц.

Величину износа образцов определяли по потере массы. Результаты исследований приведены в таблице 2.

Таблица 2

Выходные данные исследования образцов на абразивный износ

Номер образца Наименование покрытия Потеря массы Дт, мг Среднее значение потери массы Дтсо, мг Износостойкость в сравнении с покрытием Ni, %

1 Ni 4 5,33 -

2 Ni 7

3 Ni 5

Окончание табл. 2

Номер образца Потеря Среднее значение Износостойкость

Наименование покрытия массы Дт, мг потери массы ДШсв, мг в сравнении с покрытием N1, %

4 № + С60 + ПАВ 4

5 № + С60 + ПАВ 3 3,33 37

6 № + С60 + ПАВ 3

7 № + С60 3

8 № + С60 2 3 44

9 № + С60 4

В результате работы получен новый материал на основе никеля с дисперсной фазой фуллерен С60 в сульфаматном электролите. На основании проведенных исследований можно заключить, что дисперсные наночастицы фул-лерена С60 встраиваются в кристаллическую решетку электролитического никеля в процессе его осаждения из сульфаматного электролита никелирования. Встраиваясь в структуру электролитического никеля, фуллерен С60 способствует повышению твердости на 13-17 % и износостойкости в 1,5 раза полученного композиционного материала «Никель + фуллерен С60» в сравнении с электролитическим никелем без дисперсной фазы.

ВЫВОДЫ

1. Проведен анализ применения различных наномодификаторов в качестве второй фазы электроосажденных материалов с целью их упрочнения и повышения износостойкости. А также проанализированы способы нанострук-турирования материалов для улучшения их физико-механических характеристик с целью повышения ресурса авиационных изделий, изготавливаемых электролитическим формованием.

2. На основе технологии электролитического формования тонкостенных слож-нопрофилированных деталей разработана методика эксперимента по нано-структурированию никеля в процессе электролитического формования.

3. Исследована седиментационная устойчивость таких наномодификаторов как: порошки оксидов алюминия и титана, фуллерена С60 и фуллереновой смеси. Определен наномодификатор и его оптимальная концентрация, при которой наблюдался максимум седиментационной устойчивости.

4. Продемонстрирована периодичность изменения полидисперсности частиц фуллеренов в водной среде и в электролите в зависимости от различных концентраций ПАВ и самих частиц фуллеренов и найдены оптимальные концентрации ПАВ (0,003г на 100 мл электролита) и частиц фуллеренов (0,025-0,02г на 100 мл электролита), отражающие высокую дисперсность частиц.

и

5. Разработана схема экспериментальной установки для наноструктурирования никелевых образцов, получаемых электролитическим формованием, подобран основной состав лабораторного оснащения. Смоделирована опытная технологическая оснастка для электролитического формования противоаб-разивной защитной оковки на примере оковки ЛЕВ 1 для лопасти воздушного винта самолета АН - 140 с использованием программы Solid Works.

6. На основе разработанной методики получен новый композиционный материал на основе никеля с дисперсной фазой фуллерена С60 путем электролитического осаждения. Проведены исследования состава, структуры и твердости полученного материала. Было выявлено, что встраиваясь в структуру электролитического никеля, фуллерен С60 способствует повышению твердости на 13-17 % и износостойкости в 1,5 раза полученного композиционного материала «Никель + фуллерен С60» в сравнении с электролитическим никелем без дисперсной фазы.

7. Полученные результаты используются для проведения опытно-конструкторских и опытно-технологических работ, направленных на создание и освоение технологии изготовления наноструктурированных износостойких сложнопрофилированных изделий из никеля на основе базовой технологии электролитического формования.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

Публикации в рецензируемых изданиях, рекомендованных БАК

1. Парфенова Л.И. Седиментационная устойчивость частиц фуллерена С60 в сульфаматном электролите никелирования / Л.И. Парфенова, A.A. Конопле-ва, A.A. Князев, И.М. Закиров, Ю.Г. Галяметдинов // Журнал «Известия вузов. Авиационная техника», 2011. № 1. С.68-70.

2. Парфенова Л.И. Равномерность распределения металла и тока в процессе электролитического формования деталей сложной формы / Л.И. Парфенова, И.М. Закиров // Научный журнал «Вестник КНИТУ-КАИ», 2011. №4. С.35-38.

Другие публикации

3. Закиров P.M. Стабилизация параметров сложнопрофилированных никелевых противоабразивных накладок лопастей воздушных винтов летательных аппаратов / Р.М.Закиров, Л.И. Парфенова // Материалы Итог. Всерос. науч-но-практич. конф. «Ползуновские гранты», ГОУ ВПО АлтГТУ, 2007. С.101-107.

4. Закиров P.M. Изготовление сложнопрофилированных деталей повышенной износостойкости методом электролитического формования / P.M. Закиров, Л.И. Парфенова // Вестник Национального технического университета «ХПИ». 2008. №32. С. 119-123.

5. Парфенова Л.И. Совершенствование технологии электролитического формования сложнопрофилированных деталей повышенной износостойкости из никеля / Л.И.Парфенова, P.M. Закиров, П.П. Баскевич // Инновационные

технологии в проектировании и производстве изделий машиностроения: Материалы III Межд. Научно-практич. конф. Казань, 2008. С126-130.

6. Закиров И.М. Влияние ПАВ на степень ультразвукового диспергирования углеродных нанотрубок в аппретирующем составе / И.М. Закиров, Л.И. Парфенова, Л.А. Богданова, Ю.Г. Галяметдинов // Нанотехнологии в промышленности: Материалы XI Межд. научно-практич. конф. Казань, 2011. С. 143-146.

7. Парфенова Л.И. Повышение качества сложнопрофилированных деталей, изготавливаемых электролитическим формованием, путем контроля и управления технологическими параметрами процесса // Технология 2011: Сборник тезисов ХП Межд. конф. Братислава, 2011.

8. Парфенова Л.И. Кинетические закономерности введения наномодификатора фуллерена С60 в композитное электрохимическое покрытие / Л.И. Парфенова, И.М. Закиров, A.A. Коноплева, A.A. Князев, Ю.Г. Галяметдинов // Сборник аннотаций. Научная сессия. ,2-5 февраля 2011, Казань, 2011. С.12.

Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная Печ. л. 0,75. Усл.печл. 0,69. Уч.-изд.л. 0,93. Тираж 100. Заказ О 163.

Типография Казанского государственного технического университета 420111 Казань, К.Маркса, 10

61 12-5/1234

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технический университет

им. А.Н. Туполева - КАИ»

Парфенова Людмила Ивановна

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОГО ФОРМОВАНИЯ СЛОЖНОПРОФИЛИРОВАННЫХ ИЗНОСОСТОЙКИХ АВИАЦИОННЫХ ДЕТАЛЕЙ В СУЛЬФАМАТНОМ ЭЛЕКТРОЛИТЕ

НИКЕЛИРОВАНИЯ

Специальность 05.07.02 - «Проектирование, конструкция и производство

летательных аппаратов» Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор И.М.Закиров

КАЗАНЬ 2011

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение.......................................................................................................................4

Глава 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ......................................................................................................7

1.1. Объект исследования..................................................................................7

1.2. Электролитическое формование.............................................................11

1.2.1. Механизм и кинетика образования композиционных электрохимических покрытий...............................................19

1.2.2. Композиционные электрохимические покрытия на основе никеля...........................................................................21

1.3. Электролиты никелирования. Сульфаматный электролит никелирования...................................................................................................24

1.4. Анализ применения различных наномодификаторов для структурирования материалов в процессе электролитического формования........................................................................................................27

1.5. Цель и задачи исследования....................................................................33

Выводы...............................................................................................................34

Глава 2. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ НАНОСТРУКТУРИРОВАНИЯ НИКЕЛЯ В ПРОЦЕССЕ

ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОГО ФОРМОВАНИЯ.......................................................35

Выводы...............................................................................................................40

Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ СЕДИМЕНТАЦИОННОЙ УСТОЙЧИВОСТИ НАНОМОДИФИКАТОРОВ В СУЛЬФАМАТНОМ ЭЛЕКТРОЛИТЕ...............41

3.1. Исследование седиментационной устойчивости суспензий сульфаматного электролита никелирования с различными наномодификаторами........................................................................................43

3.2. Исследование седиментационной устойчивости суспензий различных наномодификаторов в сульфаматном электролите

никелирования с добавлением поверхностно-активного вещества.............47

Выводы...............................................................................................................51

2

Глава 4. ОБОРУДОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ОСНАСТКА ДЛЯ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОГО ФОРМОВАНИЯ НИКЕЛЕВЫХ ПРОТИВОАБРАЗИВНЫХ ЗАЩИТНЫХ ОКОВОК. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОГО ФОРМОВАНИЯ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ ОБРАЗЦОВ.......................52

4.1. Оборудование, применяемое в процессе электролитического формования никелевых противоабразивных защитных оковок..................52

4.2. Экспериментальная установка для электролитического формования наноструктурированных образцов изделий....................................................59

4.3. Технологическая оснастка. Моделирование опытной технологической оснастки для электролитического формования

противоабразивной защитной оковки.............................................................61

Выводы...............................................................................................................69

Глава 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОСАЖДЕНИЕ НИКЕЛЯ............................70

В РАЗЛИЧНЫХ СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОЛИТА НА ПЛОСКИЕ ЗАГОТОВКИ. СВОЙСТВА ПОЛУЧЕННЫХ ОБРАЗЦОВ..................................70

5.1. Нанесение поверхностного слоя никеля на металлические заготовки в различных системах электролита с полученными оптимальными значениями элементов систем..........................................................................70

5.2. Физико-механические свойства никелевых образцов..........................75

5.3. Физико-механические свойства наномодифицированных никелевых

образцов..............................................................................................................82

Выводы...............................................................................................................90

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ...................................................................................................91

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ...............................................93

ПРИЛОЖЕНИЕ Моделирование технологической оснастки для электролитического формования противоабразивной защитной оковки.........102

ВВЕДЕНИЕ

Авиационная техника как один из наукоемких видов продукции характеризуется высоким инновационным уровнем. Одним из показателей внедрения новых, инновационных технологий является использование в изделиях авиационной промышленности современных материалов.

Металлы и их сплавы - одни из основных конструкционных материалов, используемых в авиационной промышленности. Разработка и совершенствование технологических процессов, обеспечивающих сокращение расхода металлов и позволяющих повысить качество выпускаемых изделий, является весьма актуальной задачей. Одним из таких процессов является электролитическое формование, заключающееся в получении деталей путем электроосаждения металла на форму в гальванической ванне с последующим отделением металла от формы.

Анализ целого ряда изделий машиностроения показывает, что существует целый ряд деталей, которые экономически более выгодно получить электролитическим формованием. Возможно изготовление указанным методом накладок (оковок) переменного сечения для защиты лопастей летательных аппаратов, резервуаров давления, газогенераторов, трубчатых тонкостенных деталей переменного сечения, формообразующих вставок пресс-форм.

Электролитическое формование успешно применяется для изготовления сложнопрофилированных тонкостенных деталей. Трудоемкость изготовления деталей данным методом в 3-5 раз ниже, чем при использовании механической обработки, а коэффициент использования металла достигает 0,80-0,95. Кроме этого, электролитическое формование перед механической обработкой или штамповкой имеет такие преимущества, как высокая точность воспроизведения сложного геометрического профиля, при этом сложность рельефа не увеличивает трудоемкости процесса; низкая стоимость оснастки и оборудования; возможность многократного использования форм;

идентичность деталей, снимаемых с форм.

В настоящее время в гальванопластике, основе электролитического формования, используют довольно ограниченное число металлов и сплавов. Наиболее широко применяют медь, никель и железо, а из сплавов: никель — кобальт и никель - железо. Электроосаждение сплавов является весьма перспективным процессом, так как позволяет расширить диапазон материалов, пригодных для гальванопластических целей. Уже сейчас получают широкое использование композиционные материалы, совмещающие положительные свойства металлов и неметаллов, а также оксидов, карбидов, нитридов и др. В последнее десятилетие в гальванопластике нашло применение электроосаждение вольфрама, молибдена, ниобия, циркония, тантала и других редких металлов из расплавов, а также осаждение алюминия из органических растворов.

Сравнительные испытания металлов на абразивный износ показали, что наибольшую стойкость имеет электроосажденный никель, который одновременно хорошо противостоит и дождевой эрозии. Электролитические осадки никеля обладают хорошими механическими свойствами и высокой коррозионной стойкостью, а также повышенной механической прочностью при температурах ниже нуля. Эти свойства обеспечивают широкое применение никеля для электролитического формования различных деталей. Свойства осадков никеля в значительной степени зависят от состава используемых электролитов, а также от режимов осаждения. Этим широко пользуются на практике при получении деталей с определенными механическими характеристиками. Никель, вследствие сильно выраженной склонности к пассивированию, достаточно стоек против атмосферной коррозии. Коррозионная стойкость никелевых осадков в солевом тумане и в промышленной атмосфере сравнима с коррозионной стойкостью металлургических сплавов на основе никеля, а также коррозионно-стойкой стали марки 12Х18Н10Т. Из-за высоких механических свойств никель применяют для восстановления изношенных деталей машин,

5

гальванопластического изготовления конструкционных элементов, которые трудно или даже невозможно изготовить обычными механическими методами. В химической промышленности никелем покрывают детали, подверженные воздействию крепких щелочей. На предприятиях электролитическим формованием изготавливают ответственные детали для авиационной промышленности.

Одновременно с необходимостью увеличения ресурса деталей стоит задача по разработке технологии соединения разнородных металлов и сплавов. Одним из возможных способов является формирование зон сцепления с использованием наноматериалов.

Развитие технологий, связанных с исследованием, созданием и использованием наноматериалов, привело к кардинальным изменениям во многих сферах человеческой деятельности — в электронике, информатике, материаловедении, энергетике, машиностроении, биологии, медицине, сельском хозяйстве, экологии.

Представленная работа посвящена усовершенствованию технологического процесса по электролитическому формованию износостойких сложнопрофилированных изделий из никеля. В ней предложен комплекс мероприятий, направленных на разработку методики получения суспензий сульфаматного электролита с наномодификаторами и на внедрение данной методики в общую методику электролитического формования никелевых образцов в сульфаматном электролите.

Глава 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Объект исследования

В настоящее время в авиации можно выделить несколько сегментов, в которых в той или иной степени проявляются переломные моменты технологических изменений: двигатели летательных аппаратов, новые конструкционные материалы и покрытия, бортовое оборудование, авиационное топливо. Новый уровень развития авиации в будущем могут обеспечить только принципиально новые технологии, так как традиционные уже исчерпали себя, дальнейшее их использование дает незначительные результаты при существенных затратах. В этом плане нанотехнологии открывают практически неограниченные возможности для развития авиации. Они позволят перейти к принципиально новым концепциям летательных аппаратов. С помощью нанотехнологий могут производиться востребованные авиапромом композитные материалы, гальванические покрытия, антистатические покрытия, клеи-герметики.

Развитие авиационной техники диктует потребность в материалах, повышающих качество ответственных авиационных изделий и технологиях, обеспечивающих изготовление ответственных изделий такого качества. Одной из таких технологий является технология электролитического формования. Одним из первых применений электролитического формования стало изготовление рефлекторов. Затем этот метод стали использовать для получения волноводных каналов и формообразующих полостей вставок пресс-форм. Данным способом изготавливаются сложнопрофилированные детали с малой шероховатостью обработки внутренних поверхностей, например сопла различного профиля и диаметра. Применение специальной экранирующей оснастки из органического стекла позволило изготовить сопла (форсажные камеры) с каналами для охлаждения. При этом значительно снижены затраты ручного труда и почти в 10 раз уменьшен расход металла.

Электролитическим формованием изготавливали пустотелые тонкостенные камеры с отводами, используемые в установках аэродинамических испытаний. Возможность получения бесшовных деталей использована также для изготовления корпусов (газогенераторов) для ракетной техники [11].

Зарубежными фирмами, в частности фирмами США, этот метод используется в производстве корпусов ракетных двигателей, что позволяет снизить стоимость их изготовления по сравнению со сварным вариантом в 4 раза и уменьшить вес изделий на 11,8% [52].

В ряде крупных производств метод электролитического формования используется для изготовления серийных изделий. Это в первую очередь электролитическое формование волноводных узлов для радиотехнической промышленности. На ряде предприятий существуют участки по изготовлению формообразующих пресс-форм (фабрика им. Сакко и Ванцетти в Москве, опытный завод технологической оснастки в Риге и др.). Методом электролитического формования изготавливают трубы различного диаметра, рефлекторы, коробки для аккумуляторов, сопла и другие детали. Метод электролитического формования нашел применение в автомобильной, радиотехнической, авиационной и космической промышленности. На одном из предприятий фирмы «Electroforms» (США) изготавливаются до 300 наименований деталей (волноводы, сильфоны, детали трубопровода и многие другие).

Большим производством для получения деталей электролитическим формованием располагает фирма «Electro-Optical Sistems» (США), где изготавливаются рефлекторы, радиоаппаратура, детали летательных аппаратов. На предприятиях фирмы «Bart Manufacturing», которая одна из первых начала использовать электролитическое формование, изготавливаются детали авиационной техники и пресс-формы [7].

Лопасти воздушных винтов вертолётов и самолётов относятся к особо ответственным агрегатам летательных аппаратов. Условия их эксплуатации

8

очень жесткие: работа в сфере повышенной запыленности воздуха, особенно при взлёте и посадке; на режимах «висения»; при горизонтальном полёте на малых высотах. Поэтому создание эффективной противоабразивной защиты лопастей винтов ЛА является актуальной задачей. Как показали исследования, наиболее эффективной защитой является оковка (накладка) из электроосажденного никеля (рис. 1.1), которые устанавливаются на передние кромки. Они представляют собой У-образные профили переменного сечения толщиной от 0,8 мм на концах профиля и до 1,5 мм на передней кромке при высоте профиля 50 мм, а длина накладок (оковок) достигает 1500 мм. Изготавливаются серийные защитные накладки, преимущественно из листов нержавеющей стали и титана. Методы получения: штамповка, ручная выколотка, механическая обработка.

Рис. 1.1. Противоабразивная защитная оковка Применение электролитического формования в данном случае обеспечило получение оковок заданного профиля и толщины при значительном снижении трудоемкости по сравнению с традиционными методами.

Данным методом изготавливается технологическая оснастка, требующая высокой точности и малой шероховатости получаемых сложнопрофилированных полостей. Внедрение гальванопластики в производство оснастки весьма прогрессивно для предприятий отрасли, где

цехи подготовки не в состоянии изготавливать требуемое количество оснастки из-за больших ее объемов, сложности рабочих полостей и частой смены отливаемых деталей.

К преимуществам электролитического формования над другими методами формообразования относятся:

1) высокая точность воспроизведения микро- и макрогеометрического сложного рельефа поверхности, на которую производится электроосаждение металла;

2) низкая стоимость оснастки и оборудования, позволяющая часто менять конструкцию деталей;

3) возможность многократно использовать формы для наращивания;

4) идентичность деталей, снимаемых с одной формы, что особенно важно в производстве многоместных пресс-форм;

5) возможность одновременного изготовления большого количества деталей при больших сериях производства, которое определяется размерами применяемых гальванических ванн;

6) возможность изменять свойства электроосажденных металлов в широком диапазоне, меняя режимы осаждения и используя различные добавки в электролиты;

7) возможность получения слоистых деталей из различных металлов и неметаллов;

8) небольшие затраты труда по сравнению с такими методами формообразования, как механическая обработка, литье, штамповка;

9) значительная экономия металлов.

Анализируя данные преимущества, можно рекомендовать процесс электролитического формования использовать в производстве деталей, требующих тщательной обработки внутренних поверхностей, имеющих жесткие допуски на размеры деталей, изготовление которых обычными методами очень трудоемко, а иногда и невыполнимо. А также для деталей, работающих при высоком вакууме, поскольку изделия не имеют швов и

соединений, тонкостенных асимметричных деталей и деталей требующих изготовления дорогостоящей специальной оснастки, особенно при малой серии производства [7].

Метод электролитического формования является незаменимым в производстве волноводных узлов, сопел с диаметром критического сечения менее одного миллиметра, тонкостенных оболочек, особенно оболочек давления, и мелкоструктурных сеток. Сегодня электролитическое формование прочно закрепилось на предприятиях вертолетостроения